Espace : quand la France défie Einstein avec un nouveau satellite

La fusée russe Soyouz décollera vendredi 22 avril de Guyane avec à son bord un satellite scientifique en grande partie français. En deux ans de mission, "Microscope" pourrait révolutionner la physique fondamentale, c’est-à-dire notre compréhension des lois qui régissent notre univers, et notamment la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Microscope prétend y parvenir en réalisant dans l’espace  une expérience a priori toute simple et vieille de plusieurs centaines d’années : l’universalité de la chute libre de Galilée. La différence avec le XVIe siècle, ce sera la précision de l'expérience, à un niveau encore jamais atteint. Comment un micro-satellite pourrait-il bousculer Einstein ? Francetv info vous explique.

C’est quoi, l’universalité de la chute libre ?

L’universalité de la chute libre, c’est un principe fondamental qui est en fait moins compliqué que le nom le laisse penser. Prenez une boulette de papier dans une main, et un marteau dans l’autre. Maintenant, lâchez-les. Ils vont tomber au sol en même temps. Enfin, à peu de choses près, car sur Terre des perturbations comme les frottements de l'air peuvent fausser cette expérience célèbre qu'on appelle l'expérience de Galilée.

"Galilée a théorisé le fait que, dans le vide, les corps tombent tous de la même façon, quelles que soient leur nature ou leur masse, soumis à une force qu’on appelle la gravité", explique Yves André, le chef de projet de la mission Microscope au Centre national d’études spatiales (CNES). Ce principe, c’est l’universalité de la chute libre, plus tard généralisé en principe d’équivalence par Albert Einstein.

Pourquoi aller dans l’espace pour faire cette expérience ?

A cause des perturbations terrestres, Galilée n’a évidemment jamais eu les moyens de réaliser son expérience dans le vide. Pour s'en rapprocher, il faut aller dans l'espace. En 1971, l’expérience est recréée dans des conditions spectaculaires. David Scott est un astronaute américain, membre de l’équipage d’Apollo 15 qui s’est posé sur la Lune en juillet. Sur le sol lunaire, en combinaison spatiale et devant une caméra, il lâche en même temps un marteau et une plume de faucon.

Le résultat est édifiant, c'est la première expérience de physique réalisée sur un autre astre et elle montre que sur la Lune, l'universalité de la chute libre est aussi valide.

Mais une expérience aussi sommaire n'est pas très précise. En recréant artificiellement du vide sur Terre, on a déjà pu confirmer le principe d’équivalence avec une précision folle, proche de 10 puissance -13 (10^-13). Techniquement cela veut dire que la marge d’erreur est de 0,0000000000001 (13 chiffres après la virgule). Suffisant ? Eh bien non. Selon certaines théories physiques, s’il y a une variation, elle ne peut être mesurée qu’à une échelle encore plus petite. Et c’est là que la mission Microscope intervient. Son objectif : atteindre un niveau de précision 100 fois meilleur, à 10^-15.

Comment Microscope va-t-il réaliser l'expérience ?

Le satellite Microscope est le cocon dans lequel se déroulera de l'expérience. En orbite il simule des sessions de chute libre longues de 5 millions de kilomètres, tandis que des mini-moteur compensent les infimes perturbations spatiales. "Même dans l’espace il y a des petites perturbations, infimes, précise Yves André, si on laissait le satellite évoluer sans correction, il redescendrait sur Terre en 70 ans."

A l'intérieur de ce très stable laboratoire : deux instruments appelés accéléromètres différentiels mis au point par l'Onera, le centre français de recherche aérospatiale. L'un sert de témoin, et l'autre réalise l'expérience. Il intègre deux cylindres de masse et de composition différente, l'un en platine et l'autre en titane, qui subissent la chute libre provoquée par le satellite.

Les instruments vont mesurer l'accélération de ces deux cylindres en les maintenant en place avec des champs électrostatiques. Cela peut paraître contradictoire, mais pas du tout. "C’est en fait ces forces électrostatiques que l’on va mesurer, explique Yves André. Si les deux cylindres chutent effectivement de la même façon, en théorie, il ne devrait y avoir aucune différence dans l'accélération de ces masses, mesurée via la force exercée pour les contrôler, mais nous on cherche une infime variation."

Infime comment ? "Pour vous donner une idée : si la variation d'accélération est observée, et si on utilisait cette accélération différentielle pour propulser une voiture à l’arrêt, il faudrait 90 millions d’années pour que le véhicule atteigne 100km/h."

En clair, si on mesure une différence d'accélération grâce aux forces électrostatiques qui maintiennent le cylindre en titane et le cylindre en platine, cela revient à dire que dans le vide, ces deux objets ne tombent pas exactement de la même façon, mais qu’il faut une précision à 15 chiffres derrière la virgule pour détecter l’écart.

Mesurer à 10 puissance -15, c'est un peu comme mesurer le poids d'une mouche qui se pose sur un supertanker.

En quoi cela bousculerait la théorie d'Einstein ?

Le principe d’équivalence est au cœur de la physique d’Isaac Newton puis de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Cette relativité générale c’est en physique ce qui régit pour l’heure tout l’infiniment grand.

Si les équipes de Microscope détectent une variation grâce à leur expérience, cela voudrait dire que la théorie d’Einstein est incomplète, "on aurait trouvé un endroit où elle ne suffit pas", analyse Yves André. 

"Si l’expérience réussit, on va pouvoir dire s’il existe une nouvelle physique au-delà de 10^-13 de précision, complète Pierre Touboul, principal investigateur à l'Onera. On essaye de voir s'il y a quelque chose derrière le rideau de la relativité générale."

La théorie d’Einstein n’est donc pas invalidée par une telle expérience, mais elle mettra en revanche en lumière l’existence d’une nouvelle interaction inconnue qu'il faudra caractériser.

La mission Microscope peut-elle ouvrir la voie à la découverte de nouvelles dimensions ?

Avant de parler de nouvelles dimensions, il faut d’abord comprendre pourquoi la physique actuelle est bloquée. Pour schématiser, il y a la relativité générale qui explique tout l’infiniment grand, et la mécanique quantique qui explique tout l’infiniment petit. Mais on n’arrive pas à unifier les deux. Il y a bien entendu plusieurs théories qui permettraient de les lier, mais aucune n’a pu encore être vérifiée.

Parmi elles, il y a la théorie des cordes. Pour exister, cette théorie implique notamment que le principe d’équivalence doit être violé au niveau de précision 10-¹⁴. Or, c’est exactement ce que pourrait vérifier le satellite microscope.

Quel est le rapport avec les nouvelles dimensions ? Dans la théorie des cordes, il n’existe pas 3 ou 4 dimensions, mais une dizaine. Les découvrir, c’est d’ailleurs ce à quoi travaille le CERN avec son accélérateur de particules.

Et si Microscope ne révèle rien ?

"Si on ne mesure aucune violation, cela voudra dire que la théorie de la relativité générale est encore vraie à ce niveau de précision, admet Yves André. Il faudra alors pousser plus loin." "La limite actuelle de la technologie, c’est une mesure à 10^-17, mais c’est très cher à mettre en place", ajoute Pierre Touboul.

L’atout de Microscope, c’est son coût. L’ensemble de la mission, jusqu’à la mise en service du satellite en septembre, est estimée à 130 millions d’euros, une broutille par rapport à d’autres projets spatiaux, "comme les sondes interplanétaires qui peuvent coûter entre 1 et 2 milliards d’euros", selon Yves André.

En ce qui concerne les projets spatiaux, un euro investi rapporte en moyenne 10 euros, parce qu’on développe beaucoup de technologies qui resservent après.

Et même si l’expérience ne donne rien, la prouesse est là pour le chef du projet : "Mesurer à 10^-15, ça n’a jamais été fait et pourtant il y a quand même une certaine compétition mondiale dans le domaine."